Une centrale solaire thermodynamique (ou centrale solaire thermique à concentration ou encore héliothermodynamique), en anglais CSP (pour ) est un site industriel qui concentre les rayons du Soleil à l'aide de miroirs afin de chauffer un fluide caloporteur, lequel sert en général à produire de l'électricité. Ce type de centrale permet, en stockant ce fluide dans un réservoir, de prolonger le fonctionnement de la centrale plusieurs heures au-delà du coucher du Soleil. Différents types de centrales sont distingués selon la forme des miroirs (plats ou courbés) et la distribution du fluide caloporteur (ponctuelle ou linéaire).
La production des centrales solaires thermodynamiques atteignait en 2023, soit 0,05 % de la production mondiale d'électricité, moins que celle du solaire photovoltaïque. Les principaux pays producteurs sont l'Espagne (33,2 %), les États-Unis (19,9 %), la Chine (13,3 %), l'Afrique du Sud (9,7 %), le Maroc (9,6 %) et les Émirats arabes unis (7,1 %).
vignette|La centrale solaire Thémis. thumb|Centrales solaires PS10 et PS20 à Sanlucar la Mayor, près de Séville, en 2010. thumb|Miroirs cylindro-paraboliques dans la centrale solaire de Mojave en Californie. vignette|Centrale solaire parabolique (projet DISH-STIRLING à Font-Romeu-Odeillo). vignette|Vue d'une installation de miroirs paraboliques concentrant le rayonnement infrarouge du soleil sur des tubes de production de vapeur à partir d'eau (système GlassPoint).
Types et filières vignette|Centrale solaire thermodynamique à sels fondus de à Hami (Chine). Plusieurs technologies ont été mises en œuvre à l'échelle industrielle.. La centrale à tour est constituée d'un champ de capteurs solaires motorisés, les héliostats, qui concentrent les rayons du Soleil vers un foyer fixe, situé en haut d'une tour, où se trouve une chaudière. Dans les centrales à miroirs cylindro-paraboliques, ceux-ci concentrent le rayonnement sur des tubes remplis d'un fluide caloporteur. Une technologie proche, les miroirs de Fresnel, utilise des miroirs plans (ou quasi-plans) pivotant autour d’un axe horizontal de façon à suivre la course du Soleil et ainsi rediriger et concentrer de manière optimale les rayons solaires vers un tube absorbeur. Dans ces deux technologies, le caloporteur (huile ou sels fondus) circulant dans le tube est ainsi porté à haute température et envoyé dans un générateur de vapeur. La vapeur fait ensuite tourner des turbines qui entraînent des alternateurs produisant de l'électricité. Le parabolique, associant centrale solaire thermodynamique et moteur Stirling, permet d'atteindre de très hautes températures (plus de ) et ainsi la plus grande efficacité de toutes les technologies solaires, soit 29 % par rapport aux 15 à 20 % habituels de l'énergie solaire photovoltaïque.
D'autres pistes thermodynamiques sont actuellement explorées pour exploiter le rayonnement solaire. Une solution utilisant de l'air chauffé à plus de par un lit fluidisé (par exemple de carbure de silicium) a été proposée dans les années 2000, conçue pour mieux résister à la fatigue thermique ; celle-ci est notamment liée aux irrégularités de la ressource solaire et pose un problème pour les échangeurs thermiques classiques. Un apport d'air très chaud y remplacerait la chambre de combustion de l'équivalent d'une turbine à gaz par un concentrateur d’énergie solaire.... Des microcentrales à paraboles autonomes associées à un moteur Stirling au foyer (de 10 à ), fonctionnant avec des sources chaudes de plus de , permettraient une production décentralisée de chaleur et d'électricité...
L’Union européenne finance, par le biais du programme H2020, le projet Capture, lancé en 2015, dont le but est de réduire les coûts des projets solaires à concentration pour améliorer leur compétitivité. Chaque composant d’une ferme solaire doit être développé afin d’en améliorer l’efficacité et de réduire le coût moyen de l’énergie produite. Le projet, qui rassemble 13 partenaires répartis sur six pays européens, consiste à construire, dans le sud de l’Espagne, une installation à concentration de plusieurs tours et quatre parcs, dont trois exploitant des cycles de Brayton (cycle thermodynamique à caloporteur gaz).
Stockage de l'énergie
Sels fondus Les technologies solaires thermodynamiques présentent un avantage majeur par rapport au photovoltaïque : elles permettent de prolonger la production d'électricité au-delà de la période d'irradiation solaire, moyennant un investissement additionnel, en stockant le fluide caloporteur dans des réservoirs pour pouvoir en extraire la chaleur plusieurs heures après le coucher du Soleil.
Ainsi, la centrale solaire américaine dans le désert des Mojaves peut encore fonctionner trois heures après que le Soleil a disparu. Le stockage de l'énergie est fait à l'entrée du générateur sous forme de chaleur () dans des cuves de sels fondus NREL CSP Workshop center - Solar Tres , le 7 mars 2007., ce qui permet à la centrale de continuer à fonctionner en l'absence de Soleil. Cette technique est reprise dans la centrale Solar Tres construite à Fuentes de Andalucía en Espagne, mais cette fois l'autonomie sans Soleil passe à , ce qui lui permet de fonctionner nuit et jour lors des périodes de fort ensoleillement Gemasolar Thermosolar Plant / Solar TRES CSP Project, National Renewable Energy Laboratory (NREL).. Ce type d'installation est destiné aux régions à fort ensoleillement comme la Californie ou le Sud de l'Espagne.
Areva a mis en service à Albuquerque, au Nouveau-Mexique, un démonstrateur de stockage d'énergie aux sels fondus dans le parc solaire hélio-thermodynamique des laboratoires Sandia intégrant des réflecteurs à miroirs de Fresnel linéaires. Il utilise les sels fondus comme fluide caloporteur, en les extrayant d'un réservoir « froid » () pour les chauffer à au contact des miroirs, puis les fait passer par un échangeur thermique pour générer la vapeur nécessaire à la production d'électricité ; les sels fondus sont enfin redirigés soit vers le réservoir froid, pour répéter le processus en boucle, soit vers un réservoir séparé pour le stockage. Les premiers résultats montrent que les sels fondus permettent de faire fonctionner la centrale à haute température, de simplifier les opérations et donc de réduire le coût global, un facteur clé alors que le département de l'Énergie des États-Unis (DOE) vise, à travers son programme Sunshot, la réduction des coûts des centrales solaires installées de d'ici à 2020Nouveau-Mexique - Areva teste les sels fondus comme fluide caloporteur, site energies-renouvelables (consulté le 6 juin 2014)..
Intégration d'un procédé thermochimique
Un cycle thermochimique peut être exploité pour stocker l'énergie solaire concentrée.. Plusieurs intégrations ont été étudiées.
Production de dihydrogène par réaction thermochimique Le projet Hydrosol expérimente la concentration des rayons solaires pour activer une réaction thermochimique formant de l'hydrogène par craquage de l'eau.. La technique montre un potentiel intéressant en matière d'efficacité et de stockage de l'énergie..
Utilisations Alors qu'initialement les technologies solaires thermodynamiques étaient utilisées uniquement pour la production d'électricité, elles commencent en 2018 à trouver une nouvelle utilisation : la production de vapeur pour l’industrie ou pour les réseaux de chaleur.
Dans le nord du Danemark, dans la ville de Brønderslev, le développeur Aalborg CSP a mis en service le un projet combinant une installation solaire à concentration et une centrale à biomasse de type ORC (machine à cycle organique de Rankine). Ce projet, d’une puissance thermique de , peut produire à la fois de la chaleur et de l’électricité ; la partie solaire utilise des capteurs cylindro-paraboliques. Le projet de la ville danoise de Taars combine une centrale à concentration de et un champ de capteurs plans vitrés de , qui fournit 31 % des besoins totaux du réseau de chaleur, soit une production de chaleur fournie de .
En Espagne, Alcalá Ecoenergías a signé un contrat en pour la construction du premier grand réseau de chaleur hybride solaire-biomasse d’Espagne à Alcalá de Henares, qui sera équipé d’une chaudière biomasse de et d’une centrale solaire à concentration de .
Aspects économiques Perspectives de marché Selon les scénarios prospectifs établis en 2014 par l’Agence internationale de l'énergie (AIE), le solaire thermodynamique à concentration était appelé à jouer un rôle significatif dans la production d'électricité mondiale à l’horizon 2050 : l'AIE prévoyait que le solaire thermodynamique à concentration (toutes filières confondues) représenterait 11 % de la production d’électricité en 2050, soit avec une capacité installée de près de , dont aux États-Unis, au Moyen-Orient, en Inde, en Afrique et en Chine ; seraient exportés de l'Afrique du Nord vers l'Europe ; la baisse des coûts moyens de production de en 2015 à pour des centrales avec stockage les rendrait compétitives dans les pays les plus ensoleillés, en pointe et demi-pointe, vers 2020 et en base vers 2030 ; ces centrales pourraient également produire de la chaleur pour les processus industriels et le dessalement d'eau de mer et de l'hydrogène pour remplacer le gaz naturel (3 % des besoins d'énergie en 2050) Technology Roadmap: Solar Thermal Electricity, AIE, 29 septembre 2014..
Dans les scénarios les plus optimistes, tels que ceux établis dans le cadre du programme AIE , la et Greenpeace anticipaient une capacité installée de au niveau mondial. Ces perspectives supposaient le développement rapide d’une filière industrielle solaire thermodynamique à concentration, sachant qu’en 2014, le parc de centrales en service comportait une quarantaine de sites au niveau mondial.
En 2013, après la suppression par le gouvernement Rajoy des aides aux énergies renouvelables, le développement du solaire s'est arrêté en EspagneBaromètre solaire thermique et thermodynamique, EurObserv'ER, mai 2014, pages 67-68..
Le coût de l'électricité produite par les centrales photovoltaïques de taille commerciale a chuté de en 2009 à en 2019, selon BloombergNEF, soit 38 % du coût de auquel la Centrale solaire de Crescent Dunes vend sa production..
Le développeur américain de centrales solaires thermodynamiques eSolar disparaît en 2017, puis à la fin de 2019, le développeur fait faillite après que les pouvoirs publics ont repris le contrôle de sa filiale Tonopah Solar Energy, chargée de l'exploitation de sa Centrale solaire de Crescent Dunes , qui avait multiplié les problèmes techniques et n'avait jamais réussi à tenir ses engagements contractuels. Il ne reste plus aux États-Unis qu'un seul développeur : BrightSource, qui travaille surtout sur le projet Ashalim en Israël The closure of SolarReserve, an isolated case of the concentrated solar power industry, HelioCSP, 7 février 2020..
En 2020, le solaire thermodynamique n'est plus considéré comme un concurrent du photovoltaïque, mais comme une solution de stockage d'énergie permettant de compenser les variations des énergies intermittentes. Ainsi, l'Afrique du Sud a organisé un appel d'offres qui donnait aux centrales solaires thermodynamiques un bonus de 270 % en plus du tarif de base pour produire de l'électricité en fin d'après-midi et en soirée. Plus récemment, à Dubaï, la centrale hybride Noor , combinant solaire thermodynamique et photovoltaïque, est en construction et doit comprendre un stockage de de sels fondus, le plus grand jamais réalisé, pour fournir de l'électricité nocturne à , alors que l'électricité produite pendant la journée par la partie photovoltaïque de la centrale coûtera . Par ailleurs, le Plan national 2021-2030 pour l'énergie et le climat de l'Espagne, soumis en 2019 à l'Union européenne, envisage l'installation de de solaire thermodynamique en plus des existants. Ces supplémentaires seraient entièrement consacrés à stocker de l'énergie pour les usages nocturnes, les usages diurnes étant couverts par du photovoltaïque.